SHS論壇:如何管理與最終處置使用過的核燃料─從美國經驗談起

主講人:卓鴻年 (美國國家實驗室核廢專家)
與談人:徐光蓉 (臺灣大學大氣科學系 教授)
主持人:陳竹亭 (SHS計畫主持人/臺灣大學化學系榮譽教授)

逐字稿整理:歐陽巽  跨閱誌編輯


(論壇的現場錄影)
卓鴻年:

我從美國的經驗稍微跟大家介紹一下怎麼樣處置用過燃料的問題,因為我的工作經驗都是在美國,所以對美國的情況比較清楚。

我先提一下世界核能的趨勢,以及用過核燃料spent nuclear fuel的管理的方法-主要是中程中期的管理方法,還有如何追蹤處置,最後談一下我個人的觀點,例如追蹤處置的問題是什麼,像是很多不確定的參數問題、人類能夠知道的知識怎麼能夠預測幾萬年這麼長的時間(因為很多半衰期非常長的)。換言之,我們人類的知識跟技術是有限制的,沒辦法很有信心地預測未來的情況。

我們先看一下世界核能使用的潮流,從第二次世界大戰結束後,美國想把核子武器裡面的某些技術轉換到民用裡面去,美國艾森豪總統提的Atoms for Peace就是訴諸使用和平方法使用核或是原子,這也是蓋核電站的開始,所以你可以看的出來1960年代的發電量增加地很快,到70年代後期、80年代初增加非常快。美國的核電大部分是70年代到80年代初的時候蓋的,而1979年的三哩島事件,對整個核能的發展並沒有很大的影響,到了1986年Chernobyl的時候,稍微有點影響,核電站興建的總量就慢下來了,福島事件以後也是稍微有點影響,但是實際上並沒有很大的影響,主要是因為在過去十年以來,中國蓋的數量是世界上蓋核電站速度最快、量最多的,而且未來計畫量也是最多的,但整個世界的潮流來看,並沒有增加那麼快,沒有像60年代、70年代、80年代數字那麼快。

可是世界上還是蠻多國家在討論使用核能適不適合。當然主要的是三個大問題,一個就是意外事件,核電站可能會發生意外,這對核電站周邊人民老百姓還有整個範圍污染的影響都很嚴重;第二,建造核電站的費用越來越貴了,尤其美國電力公司都是私人的,所以當蓋核電站的費用太高的,他們就想辦法使用其他的能源發電,尤其過去大概十年天然氣的價錢在美國下降的非常快,所以最近幾年美國比較舊的核電站都早點除役,替代用天然氣,

另外歐洲有不少國家考慮到要慢慢地不再蓋新的核電站,並將已經在發電的廠在時間結束以後除役。但其他對使用核能有興趣的國家還是在增加的,譬如東南亞國家的越南、印度尼西亞,都在考慮蓋核電站;最近還有消息指出日本或韓國簽了一些合約要蓋核電站;另外就連中東這些產石油的國家,像沙烏地阿拉伯,UAE等也在考慮蓋核電廠,當然他們的想法是:油或是天然氣遲早會用完,所以他們考慮到在未來幾十年以後,或可以核能代替化石油或是天然氣。

可是這些國家在考慮使用核電站時,沒有一個國家規劃怎麼樣處置與管理用過核燃料。不過回過頭看,1960、70年代,蓋了核電站的國家,包括美國、台灣,在蓋之前都沒有考慮到如何管理用過燃料與其最終處置等等。換言之,政策的計畫的人,或是能源使用計畫的人等,主要的看法就是按照成本計算,用核能發電可以馬上省很多錢,且如果該國沒有其他能源的話,核能是一個非常有吸引力的方法。

 

那用過燃料中期的管理方法是是什麼?用過燃料用一段時間以後要從核電廠反應爐拿出來,因為反應爐產生核反應發電的主要是鈾裡面的鈾235。

鈾在天然界裡面,鈾235的百分比很小,小於0.1,小於1%,大概只有0.5左右,需要把它增加到差不多至少要3%到5%才有辦法產生核反應,所以它要濃縮,濃縮完了以後放進去,燒了一段時間,幾年以後鈾235的量就減少,小於不到1%,就要把它拿出來,那就是用過核燃料。

拿出來後要先放在一個用過燃料的水池裏,因為那時的溫度還很高、放射性很強。放個幾十年後再把用過燃料以化學方法處理後,把鈾238改變成鈽239了,就可以當核燃料了,這個叫做Mixed oxide fuel,裡面的鈽跟鈾混在一起,可以當作核燃料放在原子堆裏面發電。可是在處理的過程中也產生了高階廢料,高階廢料也要最終處置(低階廢料也有,那都是要最終處置的)。另外的作法是,不做再處理,直接把用過燃料放在最終處置。現在大部分的國家都採取再處理的方法。

 

我們看這個燃料的循環。我們在核能裡面叫左半部前端,就是最上面的原子爐、發電廠是怎麼樣去採鈾礦、再去做一些處理、再濃縮,然後再製造成核燃料。製造好以後放到反應爐裡面發電,這就叫前端。右邊是後端,把用過燃料放到水池裏儲存。如果不做再處理就直接放到儲存場,這就是直接處置了。而這裡是一個經過再處理的Open fuel cycle,就是不立刻把用過燃料做最終處理,而是把可以用的鈽的核燃料提出來再使用。

剛剛講到把用過燃料拿出來以後放在水池裏面,這叫做濕式的暫時儲存(Wet storage),大部分的儲存時間都是幾十年,除非是真的要過一段時間後做再處理的,儲存時間可能比較短,大部分不做再處理的就是一直放在核電站的水池裡三十年或四十年。

核電站的執照大約是四十年,台灣核一核二運轉的執照是一發就是四十年,所以它蓋水池時大概是設計三十年左右的儲量。但有時候水池不夠大了,就必須要把它放緊一點。當用過燃料溫度降很低時,可以把它排緊一點,這樣就會有些新空位,可以把比較新的用過燃料放進去,這樣儲存水池大概可以用到四十年左右。

如果四十年到了,還沒有決定是不是要做再處理,或是還沒有一個最終處置場開始運轉的話,你只好暫時把它儲存。現在大部分的國家採取從水池拿出來放在乾式儲存裡面,核一廠的乾式儲存就是這種方法,放在水池裡三十年四十年,然後拿出來放到乾式儲存的罐子裡。以世界的潮流的來看,乾式儲存的情況越來越多了。

這個照片是儲存用過燃料的水池。這裡每一個每一個格的,都可以放一個燃料束。

剛剛講到的乾式儲存,這個是其中一個乾式儲存的方法,台灣的設計大概跟這個非常接近-也是垂直式的乾式儲存。

乾式儲存是指用過燃料在水池裡面已經很長一段時間,所以溫度比較低了,而且放射性劑量也比較低,不再需靠水保持低的溫度,而可以改利用空氣的自然循環。所以它這個有兩個洞,下方外面的是一個水泥地保護箱,裡面有個金屬罐子,金屬罐子裡面放的就是用過燃料束,下上面的洞有通風口可以讓空氣自然循環,冷一點的空氣從下面進去,稍微熱一點的空氣上面出來,跟家裡的煙囪一樣,這便是利用空氣的自然循環。它當初設計時必需要考慮到用過燃料溫度最高可以達到幾度,這當然要做一些安全設計。

另外的方法是放在室內。這個是德國一個室內的用過燃料儲存場,它設計的方法是蓋一個像一個很大的廠房,然後用另外一種金屬的保護箱跟一種金屬罐子,裡面再放用過燃料,這種方法也是一個乾式的終極儲存的方法。

 

國際原子能總署(International Atomic Energy Agency, IAEA)2008年的報告估計未來世界用過燃料的量會增加的非常快。

藍色的是全世界從原子爐裡拿出來的用過燃料總量。X軸是千噸,所以可以看出來這個量非常非常大。HM是heavy metal重金屬,所以可以看出來,到我們今年2015,從全世界從反應爐裡面拿出來已經將近40萬噸。而這綠色的是乾式中級儲存,黃色的是有後處理。中級儲存的時間到底多長,現在美國的情況,據我了解跟台灣原子能委員會情況一樣,乾式儲存的執照一次是發四十年,但是有可能可以延個二十年,但現在美國最長的乾式儲存時間已經差不多三十年了,所以,有可能會超過四十年。

長時間的中級儲存或許會有一些材料的問題,像保護不讓放射性東西跑出來的保護金屬殼會不會有問題。特別是靠近海邊的,空氣裡面的海水成分比較多,就會有比較多的氯化鈉(sodium chloride),它容易腐蝕各種金屬類的東西,所以中期儲存時間長的話,乾式儲存的結構穩定性則是一個是蠻重要的顧慮。時間太長的話就會使得地方老百姓反對,尤其是有些核電站已經除役、東西都拆掉了,但用過燃料還是放在那裏。

美國現在有好幾個核電站除役了,東西都拆掉了,但是用過燃料沒辦法搬走,因為美國現在還沒有一個最終處置場,所以只好把那區用鐵絲網的圍牆圍起來,然後有二十四小時警衛人員看管個,所以費用就增加了。另外,地方老百姓很反對,因為原來發執照運轉核電站的只有四十年,除役就表示原本核電站的地方要回歸自然,回到原來沒有受到汙染,沒有受到任何放射性的環境,但是因為用過燃料還是暫時儲存在那裏,所以那邊無法恢復。

現在用過燃料的燃料與燃料用之前跟用以後到底差在哪裡?用之前的鈾235是主要的核反應的產生,產生熱量的、發電的一個核素。剛開始有3.5%,用完以後大概不到差不多剩1%,可是這段時間會產生鈽。鈽是由鈾238產生的-核反應使得鈾238吸收中子以後變成這個鈽239。

演講狀況

演講狀況

用過燃料有哪幾個比較重要的半衰期很長的?首先,假如半衰期是一百萬年,那就是放射性核束過了一段時間後,量減少一半,而這些半衰期的時間都超過萬年,像是Technetium-99差不多是二十萬年, PU-239差不多是兩萬多年,I-129超過一千多萬年等等,壽命都很長。半衰期很長表示,用過燃料或是高階廢料在最終處置時,要考慮的隔離跟封閉的時間就非常長,不要讓這些東西跑到人的生活環境。

而再處理就是除了要把鈽239跟鈾拿出來跟做Mixed oxide fuel外,還要把高階、中階與低階核廢料放到最終處置場。另外,現在還有一些在研究除了分離這兩個東西以外,甚至把前面那幾個半衰期比較長的給分離出來,另外把它分類放在別處,像是把半衰期比較短的放在一起,半衰期比較長的放在到另外一邊去,這樣在最終處置時,半衰期很長的放射性元素要隔離的時間就比較長,半衰期比較短的隔離時間就比較短,不過現在還沒有做到這個程度。

另外一個方法是做一個Transmutation。Transmutation就是做了再處理以後,把半衰期很長的拿出來,想辦法把它改變成另外一種核素,就是用核反應的方法把它改變成另外一種核素,它的半衰期可能會變得很短,危險性就少很多了。

這當然是在非常的初步的研發工作,整個世界有不少國家都在做這方面工作,但有沒有可能達到工業大型的Transmutation,現在還不太清楚,但可當做是一個未來的研究方向。

卓鴻年博士

卓鴻年博士

從經濟的觀點談再處理,就是指它值不值得做以及費用高不高。目前有不少報告分析,比較再處理跟直接處置用過燃料,哪一個東西費用比較高。大部分的結論是:如果鈾的價錢高於每一磅要160塊錢美金的話,再處理才值得,不然直接去買礦採的鈾,用做核電站的核燃料發電,會比再處理後的鈽當核燃料發電,價錢會便宜很多。

現在鈾的價錢差不多才 40塊錢美金一磅,但從1995年左右開始算起來,有很長的一段時間,差不多在20塊錢以下,甚至有10幾塊錢一磅。而2005年到2007、08年的時候,漲到差不多135塊左右,但是就一下子就降下來,現在差不多是31塊錢左右。現在的分析再處理的費用還沒有包括要另外再蓋一個再處理廠,而再處理廠非常貴。現在日本是唯一一個沒有核武器但卻有大型的再處理工廠的國家。雖然日本的再處理廠已經蓋了十多年了、花了一百多億美金,但還沒有運轉。

但不管是直接最終處置還是再處理完以後的高階廢料的最終處置,一個大的輕水式的核電站light─water reactor(LWR),用了40年的話,大概會產生一千到一千兩百噸的用過燃料,所以台灣如果有六個反應爐,如果運轉大概40年的話,大概會產生將近六千噸的用過燃料。有一些核素半衰期非常長,超過幾萬年,所以要想辦法最終處置,讓它隔離封閉,離開人類的生活圈很長的一段時間,幾萬年,甚至幾十萬年。過去有各種不同的想法,有的想放在深的海溝,由於非常的深,所以那邊的海水是不太移動的;另外一個是ocean sub-seabed,就是在海底下鑽洞,把它放在海底的地質下面。但在1994年的倫敦公約禁止成員國,傾倒任何放射性物質在海水裡面,因為海水是活動的,而且一污染就很難清除,又會影響到整個世界的生態,所以目前世界上的最終處置想法都是地質的深層處置。

地質的深層處置則要考量用什麼樣的岩石。第一個是沉積岩,沉積岩裡面的層狀岩是很厚的一層鹽,但是是平面的;美國有另外一個最終處置計畫叫Waste isolation Pilot,管它的是國防產生的超鈾廢料處置計畫,它已經開始運轉,它的母岩是泥鹽丘,它也是鹽,但是它的形成,不是一個平面的,不是一層層,而是三個鹽丘。德國有考慮鹽丘,因為德國的岩層都比較屬於鹽丘;第三種是活山泥灰岩,屬於一種火層岩。美國選擇Yucca Mountain就是因為活山泥灰岩;另外還有一種火層岩,就是花崗岩。歐洲的幾個國家,包括日本、中國有考慮花崗岩;最後一種是,也是屬於沉積岩,就是泥岩或頁岩或黏土等等。換言之,世界上已經考慮到的處置計畫的岩石大概就是這幾種。

我們現在很快地把美國的經驗稍微跟大家講一下,美國其實在60年前就注意到高階廢料的問題,因為製造核武器時產生很大量的高階廢料,在還沒有開始蓋這個核電站的時候,怎麼樣處理這個高階核廢料,已經是美國要面臨的問題。1955年的原子能委員會的主席說:「如果要真正要大量發展核電的和平用途,則必需要能真正解決高階廢料,不然核電站的發展可能會受到很大的阻礙」。不過他只有說對一半,因為即便沒有找到最終處置的解決辦法,還是不停地發展了核電站,所以美國國家科學院在1957年就寫了一份報告指出,美國的鹽岩、或者層狀岩,或是鹽丘,是可以長時間最好地隔離高階廢料。它有一些很好的地質特性,非常乾,而且水的滲透率非常非常低。美國層狀岩或是鹽丘分布的地方非常多,而且都是在比較不會有地震的地方,地質比較穩定的地方,所以1959年時,美國的原子能委員會就很有信心的說,在二十年之內(1970年代後期),就可以開始運轉高階廢料最終處置場。

當然這要先做實驗了解一下地質特性。在1963年跟68年在Kansas一個鹽礦的廢坑裡面做實驗後發覺得鹽真是很好的特性,並且開始做一些實驗,然後美國原子能委員會認為,很有希望可能可以在十年之內開始運轉,但是在74年的時候它就放棄了,因為當初一開始做實驗的時候,就受到當地地方代表居民反對,接著又發現一些技術上的問題。我們現在不講技術問題,光是地方反對就使得這個計畫走不下去了,所以1975到77年時,能源部就開始做比較大規模且有系統的選場址方法-從美國整個國家的三十六個州各種不同的母岩選出可能的地方,但也可能受到各種不同地方的反對。做初步調查總是有可能要挖一些井,了解地質了解水文,那地方的人一看到來打井,就以為這個地方是未來美國的最終處置場,所以馬上反對,導致選址進行得非常不順利。

後來在1982年的時候,美國國會通過核廢料的法案,立法以後才有依法的方法選場址。

我們從最左邊看,從1982年開始選場址,慢慢到比較多的場,接著可能的場址一直越來越少,到1985年剩下大概五個可能的場址。根據1982年國會通過的核廢料政策法案,要在1985年從這五個裡面選出三個跟總統建議做詳細的場址調查,然後,在兩年左右,從三個址中做完場址詳細調查。

那個時候當然不曉得詳細場址到底要做多久,只是預估說2年就可以做完,所以國會議員就立法就給他們兩年,從三詳細詳細調查完了的場址選一個,再由總統告訴國會場址就選在哪裡,並申請執照。接著,美國原子能管制委員會(Nuclear Regulatory Commission, NRC)給三年時間審查。

1986年的時候,能源部出了一個報告,認為Yucca Mountain是最適合的場址。那時用multi-attribute utility function是要將各種不同屬性、各個不同的參數,包括經濟、人口分布、運輸的方不方便、處置庫的特性、地質特性跟未來幾萬、幾十萬年安全的分析,等各種不同的原因納入來考慮它的好處跟壞處。

在1986年時的資料顯示是水滲透到處置庫的量非常非常少,所以當時認為Yucca Mountain的處置庫的位置是乾的,即使有水進去,放射性核素遺失的速度非常非常慢,所以不太有可能有放射性的物質跑到自然界裏。後來在1998年蓋了地下實驗室以後,才發現水的滲透速度比原來快了一百萬倍以上,也就是地下水有可能會滲透到處置庫的位置,所以必須想辦法做一些工程屏障設計讓地下水滲透進來的時候,不會很快影響到處置庫。

但1986年沒有這個數據,所以86年能源部的報告出來以後,國會議員就通過了,必須要在1998年把所有用過燃料歸能源部來管,所以國會很擔心如果同時做三個長期場址時間會不夠,所以只選一個了場址,而且因為少數服從多數,所以該州即便反對也沒有辦法。那時候一個內華達州的參議員,Harry Reid,非常生氣,認為美國核廢料修憲案的法案是一個Screw bill,而且因為一直受到這個內華達州的州民反對,所以影響到未來幾十年的Yucca Mountain的進展。

這個照片是Yucca Mountain的一個山脊,沒有很高。黃色的部分是地下實驗室的坑道,這個主坑道總共有八公里長;藍色的部分是未來處置庫的位置。黃色的部分已經開採,藍色的部分要拿到執照後才可以開採。

做完實驗以後就要申請執照,申請執照要用很多數據。我長期從地質、水文的測量的放射性核素遷移,還有腐蝕等等材料實驗。做完以後要把整個整合起來做成整個系統的性能評價(total system perform assessment),估計未來一萬年、十萬年,甚至到一百萬年的放射性的劑量、輻射劑量,概念大概是這樣。我的處置庫的位置在黃色那裏。假設地下水侵入了,放射性核素有可能會經過地質的裂縫跑出來,跑出來後可能會碰到一個大斷層,大斷層的水流速度很快而且可能會跑到地下水。假設有地表上面有人住,他們可能會挖井,放射性的東西可能就會經由井水跑到生命圈裏面。

Yucca Mountain最後申請執照是2008年,執照申請以後就沒有再走下去了,主要的原因是什麼呢?它申請執照是2008年6月送上去的,11月的時候美國大選,Obama選上,那個時候民主黨贏了總統、贏了眾議院跟參議院都,但當時候參議院民主黨的頭就是Harry Reid。1987年到2008年,差不多20年的時間,他從比較年輕的參議員,變成美國民主黨裡面最資深的一個參議員,所以他利用他的影響力,使得民主黨的Obama政府把執照退回。

因為執照申請的時候還是小布希當總統的時候,所以到2010年3月執照被退回後,就不再申請了。那時的能源部部長是一個華裔人,Steven Chu,他認為一直受到內華達州民的反對等等原因,說 Yucca Mountain已經走不下去了,在找到一個能達到比較廣泛的國家共識的方法前,應該把執照暫時退下來。2010年的時候,他也組了一個燃料委員會,要給美國總統跟能源部部長建議,未來美國最終處置到底要怎麼樣走下去。這個是裡面比較重點的建議是,將來選場址的時候,或是不管任何核設施、核廢料的設施,要用一種新的共識方法解決選場址的問題。

在選最終處置之前,要管理用過燃料管,要先暫時把它集中由能源部做中期暫時管理-由能源部選一個地方把所有用過燃料集中(由能源部來管,而不是分散到每一個核電站)。現在目前是每一個核電站自己都有一個暫時儲存的場地,然後再從頭開始找處置庫。

當然現在Yucca Mountain的不確定性還是繼續,因為可能明年美國要大選了,大選以後會不會有什麼改變我們就不知道了,有沒有可能Yucca Mountain還會再復活,這是沒辦法預測,能源部也不能等明年的美國大選再來決定,所以能源部要根據燃料委員會的建議做一個策略,所以它兩年前就寫了一個策略書,計畫在2021年時,蓋一個比較小型集中式的中期用過燃料乾式儲存場,先把已經除役的用過燃料全部收起來,到2025的就蓋一個大型的儲存場,把美國所有核電站產生的用過燃料集中由能源部來管理。估計到2048年,在選場址跟場址方面會有某些進展(當然不是說到2048年2050年就會有處置計畫)。

所以可以看出來美國高階廢料的最終處置的過程時間很長,從1960到現在已經五十多年了。經過前面大概有十幾年時間選場址,想要馬上蓋處置計畫,但因為那個時候沒有立法所以動不了。到了1988年立法,並在修憲案把Yucca Mountain指定為唯一的做詳細場址調查,因為沒有得到一些內華達州參議員的同意,使得Yucca Mountain過去幾十年來走得非常非常困難,到現在也是這樣。真的比較有希望能夠成功,就是要得到地方老百姓的支持。

現在我很快地把幾個最終處置計畫的問題稍微跟你們分享一下。

首先,最終處置計畫時間很長,可能是幾十萬年,這時你要看的時間不是人的歷史,因為人類歷史只有幾千年,而處置計畫的安全時間是幾十萬年,比我們人類的歷史還要長,因此要從地質的穩定性的觀點來看處置計畫的安全性,而不是從人類的歷史或人類的工程技術來看處置計畫安全屏障的時間。在場址調查的時候,你收集的數據和做實驗時間都非常有限。做一個實驗,5年已經大概不錯了,如果做一個腐蝕實驗我做了五年,再把這五年的數據推到一萬年或是推到十萬年,這個不確定性就很大了。

另外,場址調查的時候,你量的岩石樣品非常少、量的範圍非常小,但要模擬的範圍很大,幾十個平方公里,所以它的special uncertainty跟temporal uncertainty非常大,所以這是一個無法克服的inherent uncertainty。實驗沒辦法做1萬年,所以這個inherent uncertainty與special uncertainty永遠都在。

再來,雖然我不是水文的,不過用Darcy’s law-水流的基本理論-模擬水是怎麼樣流動的,來模擬汙染物質的流動是怎麼樣流動。但我很難把非常簡單的物理現象,用來模擬非常複雜的地質跟水文的現象。實際上的地質跟水文是非常複雜的,不是那麼簡單的系統。所以我們學理的,或是學自然科學等等,都希望有辦法去證明對不對,但是這個方法之於處置計畫的安全性,我們沒辦法做到,沒辦法可以證明一萬年以上,十萬年的長時間,與其他的像是氣候的變化,地質的演變等等不確定性。因為我們沒辦法克服這些不確定性,所以很難把安全評估的結果(估計到幾十萬年安全的結果)拿去跟民眾溝通。

另外一個問題是,處置計畫時間很長,可能是幾十年或甚至一百年,因此當處置計畫開始時,光選場址就要幾年的時間、要做詳細場址調查可能也好幾十年的時間。假設一切順利,然後直到開始蓋處置庫,接著運轉30年40年,會把整個時間拉長好幾十年,甚至可能是兩三代。所以在民主國家政府的改變下,不把這一切制度化,處置計畫永遠是有一堆問題,像是經費跟人員等。要真正成功做到,整個國家跟社會就必須要有一個共識、必須要真的有決心做最終處置。整個國家跟社會要有這個決心,不然的話,過了一年、五年、十年,甚至過了一代以後,說不下一代想法又不一樣了。所以怎麼樣想辦法讓它制度化,讓計畫不會隨著政黨輪替而改變,使得處置計畫改變是非常重要的。

 

 

徐光蓉老師與談

徐光蓉老師與談


(徐光蓉老師與談的錄影)

 

 

 

後會問答時間

 

左:SHS計畫主持人 陳竹亭 教授 中:卓鴻年博士 右:徐光蓉博士

左:SHS計畫主持人 陳竹亭 教授
中:卓鴻年博士
右:徐光蓉博士

現場與會者提問:政大公行系-杜文苓 副教授

現場與會者提問:政大公行系-杜文苓 副教授

現場與會者提問:台電員工

現場與會者提問:台電員工

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